一种三缸式软管隔膜泵体积流量软测量方法及系统

本发明属于流体输送与计量，尤其涉及一种三缸式软管隔膜泵体积流量软测量方法及系统。

背景技术：

1、软管隔膜泵因其无动密封、输送过程无介质污染、维护便捷等优点，在化工、生物制药、食品加工等领域广泛应用于粘性、腐蚀性、含颗粒流体的输送作业。其中，单缸结构的软管隔膜泵普遍存在流量脉动大的缺陷，在高精度输送场景中易引发管道振动、压力波动，直接影响输送系统的运行稳定性；而三缸式软管隔膜泵通过多泵头相位叠加可显著降低流量波动，具备输出更平稳、压力冲击小、可延长管道及阀门使用寿命等优势，已成为高精度输送场景的重要发展方向，其输出流量的精准计量与稳定控制也成为行业核心需求。

2、在诸多应用场景中，精确计量泵的输出流量至关重要。传统上采用电磁流量计、超声波流量计或质量流量计进行测量，但这些仪表在测量高粘度、高含固量或非牛顿流体时存在明显不足：测量精度大幅下降、易堵塞、成本高昂、定期校准维护困难。此外，在空间紧凑的集成化设备中，加装流量计往往受到安装尺寸的限制。

3、近年来，基于泵自身运动参数的间接流量推算技术（又称虚拟流量计或流量软测量技术）逐渐成为研究热点，该技术通过检测泵运行参数间接计算输出流量，具有无需外置流量仪表、不受介质特性影响、响应速度快等突出优势。但现有技术方案仍存在多方面不足，制约了其工程化应用。现有方案普遍默认三个柱塞为理想120°均匀相位分布，未考虑制造装配公差、部件磨损、负载不均等实际运行因素导致的相位偏移，使得叠加流量计算存在系统误差；其次，现有方案多采用固定参数的纯机理模型，多依赖预设的物理参数与经验修正关系，无法自适应软管磨损、流体粘度变化等时变因素，长期运行后测量精度持续衰减。同时现有方案未充分考量各工况下流体可压缩性、软管弹性变形以及多泵头共用管路的压力耦合效应对瞬时流量的叠加影响，在高压、变负载工况下的计算偏差尤为明显。此外，现有方案的功能维度较为单一，仅聚焦流量数值计算，未充分挖掘多源传感时序信号的信息价值，无法实现传动系统磨损、配合间隙变化等运行状态的在线感知，缺少设备健康状态评估与故障预警能力，难以支撑设备的全生命周期运维。与此同时，现有软测量方案普遍缺乏传感异常容错机制，单路传感器失效即会导致整个测量系统中断运行，难以满足工业现场长期连续、稳定运行的可靠性要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出一种无需外置流量计、测量精度高、能够自适应修正多种误差源的三缸式软管隔膜泵体积流量软测量方法及系统

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种三缸式软管隔膜泵体积流量软测量方法，包括以下步骤：

4、s1，信号采集：分别采集三个柱塞的实时直线位移信号、各柱塞液压腔油侧的实时压力信号以及驱动电机的实时转角信号；

5、s2，信号预处理与特征提取：对采集到的三个柱塞的位移信号和压力信号进行滤波处理，并从滤波后的位移信号中提取三个柱塞位移波形的过零点时刻、幅值和实际工作频率；

6、s3，相位差计算：根据三个柱塞位移波形的过零点时刻，计算三个柱塞之间的实际相位差；

7、s4，理论瞬时流量计算：根据三个柱塞的实时位移和实时速度，分别计算三个柱塞在排液冲程中由柱塞机械运动产生的理论瞬时流量，并将处于吸液冲程的柱塞的理论瞬时流量置零；

8、s5，压力-弹性动态修正：在排液冲程期间，根据三个柱塞对应油侧压力随时间的变化率，对所述理论瞬时流量进行动态补偿，得到三个柱塞修正后的瞬时流量；

9、s6，瞬时流量叠加：将三路修正后的瞬时流量按统一时间戳逐点叠加，得到总瞬时体积流量；

10、s7，容积效率校准：根据当前运行频率和当前压力，调用预先生成的容积效率系数映射关系获取当前工况下的容积效率系数，将所述总瞬时体积流量乘以容积效率系数，输出最终校准后的体积流量。

11、进一步的，所述容积效率系数映射关系的生成方法包括：

12、在离线标定阶段，遍历由多个预设运行频率和多个预设背压构成的工况矩阵，分别在各工况点下稳定运行，利用称重法测量泵的实际输出流量；同时，基于同一工况点下的所述位移信号和压力信号获取未经容积效率校准的测量流量；计算所述实际输出流量与所述测量流量的比值，作为该工况点的容积效率系数；以运行频率和背压为自变量，以所述容积效率系数为因变量，构建覆盖全工况范围的二维映射曲面。

13、进一步的，所述s3中，采用滑动时间窗口对各路位移信号进行过零点扫描，并设定滞回区间，只有当柱塞位移由负值变为正值且超出所述滞回区间时，才判定为有效过零点时刻；将其中一路柱塞的过零点设为参考零点，计算另外两路过零点相对于该参考零点的滞后时长，并结合当前运行周期时长计算各柱塞间的实际相位差角。

14、进一步的，所述s5中，基于液压腔与软管系统的容积守恒关系，利用预标定的系统等效柔度系数对所述理论瞬时流量进行修正；当油侧压力处于上升阶段时，减少理论瞬时流量以补偿液压油压缩及软管膨胀所吸收的排量；当油侧压力处于下降阶段时，增加理论瞬时流量以补偿弹性变形恢复所释放的额外体积；当油侧压力平稳时，保持理论瞬时流量不变。

15、进一步的，所述系统等效柔度系数通过离线标定获得：在固定运行频率下，测量多个背压点的实际平均流量与未经压力修正的理论平均流量的损失差值，根据所述损失差值随背压变化的线性关系，拟合确定所述系统等效柔度系数。

16、进一步的，还包括传动系统同步校验步骤：

17、根据各柱塞的实时位移信号及其对应的实时速度，利用位移与速度的正交特性，求解各柱塞在运动周期内的实际曲柄转角；将各路求解得到的实际曲柄转角归一化至同一参考系后取平均值，作为柱塞侧有效转角；

18、根据驱动电机的实时转角信号及减速机传动比计算电机侧等效转角；

19、将所述柱塞侧有效转角与所述电机侧等效转角进行对比，统计平均传动角度误差；当所述平均传动角度误差超过预设阈值时，触发减速机磨损或传动间隙异常的运维预警信号。

20、进一步的，还包括位移传感器失效时的第一降级容错策略：

21、实时监测三路位移传感器的信号状态，当判定任一路位移传感器失效时，利用剩余两路正常传感器采集的实时位移信号，结合失效前存储的相位差数据，推算缺失柱塞在当前时刻的理论位移波形；

22、若所述相位差数据不可用，则根据驱动电机的实时转角信号和减速比换算得到曲柄转角，并利用历史平均传动角度误差进行修正，结合三柱塞固有的相位布置关系，生成缺失柱塞的替代位移波形，以维持流量叠加计算的连续性。

23、进一步的，还包括压力变送器失效时的第二降级容错策略：

24、实时监测三路压力信号的状态，当判定单路压力变送器失效时，以剩余两路正常压力信号的实时平均值替代失效通道的压力值，继续执行所述s5的动态修正；

25、当判定两路或以上压力变送器失效时，将失效通道的压力值锁定为失效前的历史周期平均值，动态修正项自动归零，对应通道的瞬时流量退化为所述s4计算的理论瞬时流量。

26、进一步的，还包括编码器失效时的第三降级容错策略：

27、当判定驱动电机的实时转角信号异常或丢失时，通过对柱塞位移波形进行频谱分析提取泵的实际工作频率，根据所述实际工作频率及减速比反推电机转速，并构造模拟转角信号，以替代失效的编码器信号。

28、本发明还公开了一种三缸式软管隔膜泵体积流量软测量系统，包括：

29、位移传感模块，包括分别安装于三个柱塞运动路径上的位移传感器，用于实时采集各柱塞的直线位移信号；

30、压力传感模块，包括分别安装于三个柱塞液压腔油侧的压力变送器，用于实时采集各柱塞对应的油侧压力信号；

31、电机编码器模块，安装于驱动电机或减速机输入端，用于采集电机实时转角信号；

32、信号采集与预处理单元，分别与所述位移传感模块、压力传感模块及电机编码器模块连接，用于同步采集多路信号并对信号进行滤波及特征提取；

33、流量计算单元，内置有柱塞运动模型、相位差提取模块、压力弹性修正模块和容积效率校准模块，所述流量计算单元用于执行所述的方法的步骤，以输出修正后的瞬时体积流量；

34、标定存储单元，用于存储通过离线标定生成的容积效率系数映射关系和系统等效柔度系数。

35、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

36、1. 通过三路独立位移传感器直接采集各柱塞的实时正弦位移波形，基于同步采样数据直接叠加得到总瞬时体积流量，从根源上摆脱了传统方案依赖理想120°均匀相位假设推算流量的局限。同时通过过零点检测计算柱塞间的实际相位差，可在线量化制造装配公差、部件磨损、负载不均导致的相位偏移，既能够校验三柱塞运动一致性、评估传动系统磨损状态，也可为单路传感器失效时的降级容错推算提供相位依据，从根本上提升了流量推算的基础精度与运行可靠性。位移传感器采用非接触式或接触式高精度传感方案，采样频率不低于1khz，可精准捕捉柱塞运动细节，为后续高精度流量计算与多维度误差修正提供可靠的数据基础。

37、2. 通过两级流量修正和状态监测，在保证测量精度的同时拓展了系统功能。压力-弹性动态修正基于液压腔-软管系统的容积守恒原理，建立以压力变化率dp/dt驱动的瞬时流量动态修正模型qp,i(t)=a·vi(t)-c·dpi(t)/dt。该模型精准刻画了排液冲程中三个阶段的过程：排液初期压力快速上升（dp/dt>0），液压油压缩和软管膨胀吸收部分柱塞排量，修正后瞬时流量低于理论值；排液中期压力趋于平稳（dp/dt≈0），弹性变形体积不再变化，修正量趋近于零，瞬时流量逼近理论值；排液末期压力下降（dp/dt<0），弹性变形恢复释放额外体积，修正后瞬时流量略高于理论值。相较于静态参数修正仅能反映压力大小对流量的平均影响，该动态修正能够精确还原瞬时流量波形的时序特征与幅值变化，从根本上解决了高压、变负载工况下瞬时流量波形的相位误差和幅值偏差问题。容积效率校准通过称重法建立ηv(f,p)关系曲面，该系数在补偿液压油内泄、单向阀回流等常规容积损失的同时，能够自动补偿因系统等效柔度系数c在不同工况下的微小漂移所引入的残余误差，从而作为一个涵盖多种次要误差源的综合校准因子，能够根据实际工况自适应调整校准系数，覆盖全工况范围的测量精度。两级修正协同作用使最终输出流量q(t)的综合测量误差可控制在±2%以内。在此基础上，新增传动系统同步校验机制，通过电机侧与柱塞侧转角的实时对比，可在线监测减速机磨损、传动间隙增大等隐性故障，实现从单一流量测量到设备健康感知的能力升级。

38、3. 设计了完善的异常检测与降级容错机制，大幅提升了系统可靠性和现场适应性。当单路位移传感器失效时，可利用剩余两路信号和柱塞几何关系推算缺失波形，系统降级运行而不中断测量；单路压力变送器失效时，采用剩余正常压力信号的实时平均值替代失效通道的压力值并继续计算dp/dt和动态修正量，系统等效柔度系数c保持不变，修正功能不受单点失效影响；两路及以上压力变送器同时失效时，各失效通道压力值锁定为历史周期平均值，动态修正项自动退化为零，系统以降级精度维持运行；编码器失效时，通过位移波形频率反推转速维持基本修正功能。三重容错设计确保在传感器部分故障的极端情况下，系统仍能输出具有参考价值的流量估算值，提高了工业现场应用的鲁棒性。

39、4. 采用离线标定与在线测量双模式架构，兼顾了高精度和便捷性。离线标定阶段，通过称重法在工况矩阵中系统采集数据，建立容积效率系数与频率、油侧压力的映射关系；在线运行阶段，系统无需任何外部流量参考设备即可独立完成高精度流量输出，大幅降低了系统部署和维护成本。该系统特别适用于三缸式软管隔膜泵，通过将柱塞的机械直线位移等效换算为软管有效排量，并结合压力修正以及称重法标定进行修正，实现了对软管隔膜泵这种间接驱动结构的精确流量推算，为三缸式软管隔膜泵对（非）牛顿流体的高精度流量软测量提供了可行的技术方案。